汽轮机低压通流区鼓风态流场数值分析

宋文希，朱蓬勃，高庆，惠涛，余小兵，谷伟伟，张永海，居文平

(1．西安西热节能技术有限公司，西安 710054； 2.西安热工研究院有限公司，西安 710054；3.中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018)

当前，由于我国能源需求的增长和环境问题的凸现，可再生能源在我国能源结构中所占比例亟待提高。近年来我国新能源的装机容量增长迅猛，因此火电机组需要灵活深度调峰来解决电力系统中可再生能源的消纳问题。这对调整火电机组的运行方式提出了新的挑战。

在火电机组深度调峰过程中，随着负荷率降低，机组进汽流量也降低，这将导致火电汽轮机工作于小容积流量工况条件下。随着进汽流量的进一步降低，汽轮机低压通流区域的流动形态将发生改变，汽流将不再推动叶片做功，而会以惰性形态被动叶扇动排挤出叶片通道，这便是鼓风现象。鼓风摩擦现象会导致汽轮机叶栅通道局部出现高温区域，严重时将使得内缸受热变形，影响动静部件中心的一致性，进而会威胁机组的安全运行。因此，了解小容积流量下汽轮机鼓风态流场特性，对于完善机组安全系统设计体系有着十分重要的意义。目前在这一领域，诸多学者已开展了相关的研究工作[1-12]。

针对这一问题，本文以某典型蒸汽轮机低压通流区域为计算模型，建立了低压末级通流区域全5级流动分析计算模型，通过采用SST湍流模型求解三维RANS方程组，系统研究了低压缸进汽流量变化对汽轮机低压通流区域流动鼓风态流场特性的影响。通过研究，指出了鼓风临界流量以及鼓风高温发生的位置，以期为火电机组长期低负荷深度调峰运行提供理论支持及技术参考。

1 计算模型和数值方法

1.1 计算模型

图1为计算模型的三维几何结构示意图。图2为低压通流全5级三维结构示意图。其中静叶区域为静止计算域，动叶区域为旋转计算域。次末级动叶高度为492 mm，末级动叶高度为909 mm。

图1 计算域几何结构示意图

图2 低压通流全5级三维结构示意图

1.2 计算方法

本文采用商用软件Numeca-Autogrid生成了流体计算域的三维计算模型和多块结构化网格。图3给出了低压通流区域的三维计算网格。所生成的计算网格最大长宽比小于30，正交角均在45°以上，具有很好的正交性。为满足y+的要求，网格生成时在壁面进行了网格加密，密封间隙沿径向布置了30个节点，网格生成时O型贴体网格位于叶片表面，H型网格位于进出口延伸段以及涡轮盘腔室内，最终网格计算节点的数目达到了646万。

图3 低压通流全5级计算网格

数值计算采用商用计算流体动力学软件ANSYS-CFX求解RANS方程组，选取SSTk-ω湍流模型使得方程组封闭，对流项为高精度离散格式，计算工质采用水蒸气，计算中给定主流进口的总温总压以及主流出口的平均静压，表1给出了边界条件及计算方法。当质量方程、动量方程以及湍流方程组均方根残差小于10-5时认为计算收敛。

表1 数值计算边界条件及方法

2 结果分析

2.1 通流区域子午面流场

图4展示了进汽流量为9.3～42.7 t/h时，低压通流区域子午面温度分布云图。图中反映的物理现象有：随着进汽流量的减小，低压缸通流区域出现明显的鼓风温升现象，鼓风高温区位于末级静叶尾缘与末级动叶前缘靠近叶顶的区域；随着流量的增加，鼓风温升效应会减弱，当进汽量超过29.8 t/h时，鼓风高温区域基本消失。从9.3 t/h流量工况还可以看出，在该流量下次末级后也出现了较明显的高温区，即次末级也发生了鼓风现象，同时可看出该流量下叶顶高温区的温度最高达到500 K。随着进汽流量的增加，次末级动叶后的高温区域也会逐渐消失。

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量13.4 t/h

(c) 进汽流量16.9 t/h (d) 进汽流量21.3 t/h

(e) 进汽流量24.9 t/h (f) 进汽流量28.5 t/h

(g) 进汽流量35.6 t/h (h) 进汽流量42.7 t/h

图5给出了不同进汽流量工况下，低压通流区域子午面流场分布。从进汽流量为8.2 t/h工况中可以看出小容积流量下在低压缸第1级及第2级处气体流动整体还算均匀，在第3级静叶叶根部进口处气体出现流动分离现象，根部出现回流。在次末级后出现了明显的回流涡系，涡核位置位于通道中心，且回流区范围极大。同时在叶顶动静叶中间区域也出现了明显的漩涡结构，漩涡能量的停滞耗散将导致高温区的出现。通过对比不同进汽流量时低压缸整缸通流区域流场结构发现，随着进汽流量的增加，在次末级后出现的回流涡系影响范围逐渐减小，涡核位置逐渐降低。末级叶顶处的漩涡结构也逐渐消失。这印证了鼓风效应的弱化。

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量13.4 t/h

(c) 进汽流量16.9 t/h (d) 进汽流量21.3 t/h

(e) 进汽流量24.9 t/h (f) 进汽流量28.5 t/h

(g) 进汽流量35.6 t/h (h) 进汽流量42.7 t/h

图5 不同进汽流量低压通流区子午面流场分布

2.2 叶栅通道内流场分布

图6对比了10%叶高处进汽流量为8.2～317.6 t/h时通道内的压力场。可以看出，小容积流量工况下汽流以负攻角流动进入叶栅通道，撞击动叶吸力面前缘，引起压力升高，而随着流量的增加，流动特性改善，负攻角消失。图7对比了10%叶高处进汽流量为8.2～317.6 t/h时叶栅通道内速度矢量分布。从图7中可以看出，小容积流量工况下，由于受到鼓风现象的影响，静叶通道内出口压力高于进口压力，因此出现明显的逆流现象。而随着流量增加至28.5 t/h，逆流现象消失，但静叶通道内汽流的流动特性依旧较差。

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量16.9 t/h

(c) 进汽流量21.3 t/h (d) 进汽流量28.5 t/h

(e) 进汽流量158.8 t/h (f) 进汽流量317.6 t/h

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量16.9 t/h

(c) 进汽流量21.3 t/h (d) 进汽流量28.5 t/h

图8对比了90%叶高处进汽流量为8.2～317.6 t/h时叶栅通道内速度矢量分布。如图8所示，在静叶通道上部区域压力面侧出现了明显的回流涡系，这是流动负攻角引起的。在小容积流量9.3 t/h工况下，动静部件间区域出现了高速流动区。图5计算结果显示，在鼓风工况下靠近叶顶动静部件之间区域产生了明显回流涡，因此汽流会在通道内形成高速流动区。随着流量增加，靠近叶顶动静部件之间区域产生回流涡的范围减小，因此通道内的高速流动区也随之消失。当流量进一步增加，静叶通道内的汽流变得更加均匀，喷管效率提高，但动叶出口速度也随之增加，余速损失增加。图9对比了90%叶高处进汽流量为8.2～317.6 t/h时通道内的温度分布。如图9所示，在叶顶区域，当进汽流量较小时，动静叶间由于漩涡的耗散将形成高温区，随着进汽流量的增加，漩涡结构尺寸将减小，高温区逐渐消失。

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量16.9 t/h

(c) 进汽流量21.3 t/h (d) 进汽流量28.5 t/h

(e) 进汽流量158.8 t/h (f) 进汽流量317.6 t/h

(a) 进汽流量8.2 t/h (b) 进汽流量16.9 t/h

(c) 进汽流量21.3 t/h (d) 进汽流量28.5 t/h

(e) 进汽流量158.8 t/h (f) 进汽流量317.6 t/h

2.3 通流区域压力及温度分布

图10定量地给出了进汽流量为8.2～317.6 t/h时低压流动区域进口到出口的压力分布，压力值为周向平均结果。图10中压力分布总体呈现出阶梯状分布，这是汽流通过静叶或者动叶后能量转化导致的。从图10中可以明显看出，小容积流量下在末级及次末级处将出现级前压力低于级后压力的现象，这是叶片形成鼓风的重要表现。当流量增加至28.5 t/h时，逆压现象消失，压力分布恢复阶梯状分布形式。图11给出了进汽流量为8.2～317.6 t/h时低压流动区域进口到出口的温度分布。可以清楚地看到，低压缸单边进汽流量为8.2t/h时，受鼓风影响，出口区域温度明显升高，温度分布呈现出“V”形。随着进汽流量的增加，温度分布恢复为阶梯状分布。

(a)进汽流量8.2 t/h (b)进汽流量13.4 t/h

(c)进汽流量16.9 t/h (d)进汽流量28.5 t/h

(e)进汽流量158.8 t/h (f)进汽流量317.6 t/h

(a)进汽流量8.2 t/h (b)进汽流量13.4 t/h

(c)进汽流量16.9 t/h (d)进汽流量28.5 t/h

(e)进汽流量158.8 t/h (f)进汽流量317.6 t/h

图12给出了进汽流量为8.2～317.6 t/h时，10%叶高处末级动叶表面的压力分布。由于汽流负攻角冲击，在叶片前缘约10%轴向弦长吸力面处呈现出压力凸起区，该区域吸力面压力高于压力面压力。从图12中可以看出小容积流量下，叶片压力面压力值与吸力面压力值基本相当，无压差，这说明了该流量工况下汽流无法推动叶片做功。这是鼓风现象的又一重要表征。可以看出当流量增加至 28.5 t/h时，压差出现，这也侧面印证了该流量为鼓风临界流量。当流量继续增加，同一轴向弦长位置压力面和吸力面压力值将出现明显差值，横向压差的出现表明动叶片恢复了正常的做功能力。

(a)进汽流量8.2 t/h (b)进汽流量13.4 t/h

(c)进汽流量16.9 t/h (d)进汽流量28.5 t/h

(e)进汽流量158.8 t/h (f)进汽流量317.6 t/h

3 结 论

本文以某典型蒸汽轮机低压通流区域为计算模型，建立了低压末级通流区域全5级流动分析计算模型，通过采用SST湍流模型求解三维RANS方程组，采用数值方法研究了低压缸进汽流量变化对汽轮机低压通流区域流动鼓风态流场特性的影响规律，得到了以下结论：

1)通过对低压通流区域5级通流级进行分析计算发现，当低压缸单边进汽流量减小至29.8 t/h (8.9%THA进汽流量)时，末级出现较为明显的鼓风态流动现象。随着流量的减小，鼓风现象愈加明显。鼓风温度最高的区域位于末级静叶与动叶之间。

2)在静叶通道上部区域的压力面侧出现了明显的回流涡系，这是负攻角流动现象引起的。在小容积流量工况下，动静部件间区域会出现高速流动区。速度矢量计算结果显示，在鼓风工况下靠近叶顶动静部件之间的区域会产生明显回流涡，会在通道内形成高速流动区。随着流量增加，靠近叶顶动静部件之间的区域产生回流涡的范围减小，因此通道内的高速流动区也随之消失。

3)在末级动叶表面，由于汽流负攻角冲击，在叶片前缘约10%轴向弦长吸力面处呈现出压力凸起区，在该区域吸力面压力高于压力面压力。且小容积流量下，叶片压力面压力值与吸力面压力值基本相当，无压差，这说明了该流量工况下汽流无法推动叶片做功。这是鼓风现象的又一重要表征。